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电子竞赛培训进阶项目2—-语音引导小车

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发表于 2019-7-15 00:24:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
为了满足声音导引系统的设计要求,进行了各单元电路方案的比较论证及确定,系统的控制核心。对于关键的声音发生、接收模块部分和无线模块部分,经过充分比较、论证,我们最终选用了高精度电子蜂鸣器作为声音发生器,用改进的超声波接收电路作为声音接收器;选用NRF24L01型无线模块实现两控制器间的通信。通过接收器对声强的检测,实现了声源导引定位等功能;系统显示部分选用7279芯片驱动数码管,串行接口,编程容易,显示清晰、美观大方。采用单片机内部时钟实现精确计时,显示运动时间。最后的实验表明,系统完全达到了设计要求,完成所有基本和发挥部分的要求。
关键词:C8051,接收器,无线模块
一、设计任务及要求
1.1设计任务设计并制作一声音导引系统,示意图如图1所示。
图中,AB与AC垂直,Ox是AB的中垂线,O’y是AC的中垂线,W是Ox和O’y的交点。
声音导引系统有一个可移动声源S,三个声音接收器A、B和C,声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离,产生一个可移动声源离Ox线(或O’y线)的误差信号,并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源,引导其运动。
可移动声源运动的起始点必须在Ox线右侧,位置可以任意指定。
1.2 技术要求
1.2.1基本要求
(1)制作可移动的声源。可移动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号,如图2所示,声音信号频率不限,脉冲周期不限。
(2)可移动声源发出声音后开始运动,到达Ox线并停止,这段运动时间为响应时间,测量响应时间,用下列公式计算出响应的平均速度,要求平均速度大于 5cm/s。
(3)可移动声源停止后的位置与Ox线之间的距离为定位误差,定位误差小于3cm。
(4)可移动声源在运动过程中任意时刻超过Ox线左侧的距离小于5cm。
(5)可移动声源到达Ox线后,必须有明显的光和声指示。
(6)功耗低,性价比高。
1.2.2 发挥部分
(1)将可移动声源转向180度(可手动调整发声器件方向),能够重复基本要求。
(2)平均速度大于10cm/s。
(3)定位误差小于1cm。
(4)可移动声源在运动过程中任意时刻超过Ox线左侧距离小于2cm。
(5) 在完成基本要求部分移动到Ox线上后,可移动声源在原地停止5s~10s,然后利用接收器A和C,使可移动声源运动到W点,到达W点以后,必须有明显的光和声指示并停止,此时声源距离W的直线距离小于1cm。
(6)其他。
二、系统方案比较与论证
根据题目的要求,系统主要可分为运动控制部分、声音信号检测部分和无线数据传送部分。具体可划分为声音发送与采集模块、无线收发模块、电机驱动模块、电源模块、显示和按键模块
2.1整体方案论证与分析
方案一:根据声强检测来对小车定位,不同距离的声源传到声音接收器的信号强度不同,根据对信号强度进行AD采样,可以判断出声源距离。
方案二:根据声音传输时间差来对小车定位,声音从声源传到不同接收器的时间不同,针对不同接收时间进行定时计数,做差值,可以判断出声源距离不同接收器的位置差,进而对小车位置行进控制。
比较以上两种方案,方案二简单灵活、容易控制,能达到题目的设计要求,因此采用方案二来实现。
具体方案如下:本系统共用到三个声音接收器(A、B、C),这三个器件通过电线连接在接收端的单片机上。根据接收器原理电路分析可知,该电路在没有接收到声音信号时,输出高电平;在接收到声音信号时,输出低电平,非常稳定。接收器接收到声音信号,输出低电平用来触发单片机的外部中断,通过计数器计数,算出小车离接收器的距离。经单片机比较、分析、处理后,产生一个可移动声源离指定位置的误差信号,并用无线方式将此误差信号传输至小车,引导小车运动,实现小车的定位控制。声音接收器电路图见附录。
2.1.1 微控制器模块论证与分析
方案一:采用周立功公司的32位单片机EasyARM2131。该单片机I/O资源丰富,具有强大的存储空间,芯片内置JTAG电路,可在线仿真调试,但对编程要求较高,且价格较为昂贵。
方案二:采用Philips公司的P89V51RD2。51单片机价格便宜,应用广泛,无论是从内部构造,还是编程方面51系列单片机都相对简单,容易掌握和使用。
根据本题的要求,我们决定采用方案二。最小系统图见附录1。
2.1.2 电机模块论证与分析
方案一:采用步进电机。步进电机是一种能将电脉冲转化为角位移的机构,其精确度高,控制简单、无积累误差等优点。但是步进电机的力矩会随转速的升高而下降,调速潜力不大,并且价格较高。
   方案二:采用直流电机。直流电机速度快,价格便宜,通过调节电流来改变速度,驱动电路简单,调速范围广,调速特性平滑、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高等方面。
综上所述,我们决定采用方案二。
2.1.3 电机驱动模块论证与分析
方案一:采用大功率三极管,二极管,电阻电容等元件。采用上述元件搭建两个H桥,通过对各路信号放大来驱动电机,原理简单。但由于放大电路很难做到完全一致,当电机的功率较大时运行起来会不稳定,很难精确控制。
方案二:采用L298N驱动芯片。L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入,具有良好的抗干扰性能,可用单片机的I/O口提供信号,电路简单、易用、稳定,具有较高的性价比。
综上所述,我们决定采用方案二。具体电路图见附录2。
2.1.4 声源模块论证与分析
方案一:使用扬声器
用扬声器产生声源,其音调不好控制,驱动电路较复杂,成本较高。用麦克接收声音信号,但是此方案抗干扰性差,不适合本题目。
方案二:使用电子蜂鸣器
用蜂鸣器做声源,有声音清晰宏亮、重量轻、体积小、耗电省、寿命长、价格低,具能在各种恶劣环境中工作等优点。
综上所述,我们决定采用方案二。
2.1.5 无线模块的论证与分析
方案一:采用2262发送芯片,2272接收芯片。通过编码芯片PT2262发出编码信号,解码芯片PT2272接收到信号后,进行数据处理。但由该芯片所做成的无线模块不稳定,所需的电压大,功耗高,抗干扰能力差。
方案二:采用NRF24L01模块。此模块,可以实现数据的精确传输,应用起来比较方便,传输距离远,且其有空闲模式,大大的降低了模块的功耗
考虑到比赛题目的要求,需要对声源进行定位,我们决定选择方案二。
2.1.6 电源模块论证与分析
方案一:电池组供电,可提供800mAh电流,重量很轻,但是会造成电压不稳、有毛刺等干扰,对单片机系统造成严重的干扰,缺点十分明显。
方案二:蓄电池供电,电流大,电压稳定。由于电源为12V蓄电池。通过7806和7805稳压芯片提供工作电压。具体电路图见附录3。
基于上述考虑,所以我们决定选择方案二。
2.1.7 显示模块论证与分析
方案一:使用液晶屏,液晶屏具有显示质量高,数字式接口,体积小,质量轻,功耗功率小的特点,但是其价格较高,在远距离显示效果较差。
方案二:使用数码管,数码管具备数字接口,高频特性好,单色性好,显示清晰,价格较低,性价比非常高,方便易行,基本满足本题目的要求。
综上所述,我们决定采用方案二。
2.2控制方案
经上述论证,此引导系统主要实现电机的驱动与转速转向控制、无线收发控制。
2.2.1电机的驱动与转速转向控制
电机驱动模块由ASSP芯片(型号MMC-1)和L298N芯片组成。通过主控MCU与ASSP芯片的串口通信实现对L298N的控制,进而实现对电机的控制。ASSP芯片(型号MMC-1)为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片,可同时控制三路步进电机或直流电机。其对于直流电机的控制和调速程序都已固化,其与单片机的连接通讯是通过串口实现的,即节省了单片机的I/O口又可以省去生成PWM所用的定时器和中断。既简化了程序又增强了程序的稳定性,使用起来非常方便。
2.2.2 无线模块控制
通过编程用单片机IO口模拟SPI,不需要单片机真正的串口介入,只需要普通的单片机IO口就可以了。该模块通过单片机的软件控制,可实现两机的全双工通信。
三、设计与论证
3.1 软件设计
3.1.1基本部分
由从控制器无线发送开始信号给主控制器,同时启动接收器A、B和定时器(此时定时器开始计数),主控制器响应无线信号,使声源发声,接收器接收到声音信号时定时器停止计数,此时记下两个定时器的计数值T1、T2,利用两计数值计算出接收器A、B离声源的距离,当距离近似相等时即可认为到达中线。计数器清零,循环执行上述操作。
3.1.2 发挥部分
在实现基本部分后,需要判断转弯标志,实现小车转向(90度),然后只需将接收器选为接收器A、C,计算出接收器A、B离声源的距离,当距离近似相等时即可认为到达W。实际可能出现的问题是小车到达OX后,车体与OX不垂直,但这个是可以通过调节硬件来解决的。其程序流程图如图5。
图4 基本部分流程图       图5 发挥部分流程图
3.2控制理论简单计算
小车运动过程中,单片机可利用中断和计数器计算接收器离声源的距离X1、X2(单位cm)。通过比较两距离的差值,对小车进行定位。若X1-X2>50则给小车发送全速前进信号(小车初始车头方向垂直于OX);若5< X1-X2<50表明小车离目标中线已经很近,小车调节PWM缓慢前行;若X1-X2<5,证明小车已基本到达指定位置,这时小车停止在中线上,并发出明显声光信号。
发挥部分只需将接收器A、B用数据选址器接到单片机1上,在完成基本部分后,将接收器A、B改为接收器A、C,重复进行两点距离值计算,当两距离近似相等,小车到达W并停止,同时发出声光信号。
四、系统总体电路设计
根据上述方案论证,我们最终确定了以Philips公司的P89V51RD2单片机为控制核心,通过一单片机控制声源发送、无线接收、直流电机驱动、声光提示,通过另一单片机控制接收器(A、B、C)、无线发送。系统的总体结构框图如图6所示:
图6 系统总体结构框图
五、系统测试
5.1 测试仪表
4位半数字万用表,双踪示波器,计算器,秒表,2米卷尺。
5.2 测试结果
可移动声源发出声音后开始运动,到达OX线并停止,这段运动时间为响应时间,需要测量响应时间。可移动声源停止后的位置与OX线之间的距离为定位误差,需要对定位误差进行测量。
从测试结果分析,我们设计制作的系统基本可以实现基本部分及发挥部分的功能。而且系统运行稳定,误差较小。
六、结语
经过为期四天的设计,感触颇深的是解决问题的方法、技巧。在这四天中,我们遇到许许多多问题,对待问题要多方法、多角度处理。通过这几天的设计竞赛,我们不但增强了实践能力和协作精神,而且懂得了联系实际的重要性,这对我们以后的学习和工作不无裨益。当然,我们的设计还存在着一些缺陷,有待于在将来设计中进一步提高,在此恳请各位老师批评指正。

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我是个凑数的。。。
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好牛的样子
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